JP2011021546A - 軸動力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自励振動を利用した構成とし、圧電素子を利用した場合に比べて大きな動力を取り出す事を可能とする。
【解決手段】流体の流れによって自励振動を生じる様に工夫された可動システム１を、回転支持６を用いて流体の流れ中に設置する。可動システム１は剛体部４と柔軟部５とから成る。可動システム１が自励振動７を生じる事によって、剛体部４に接続された回転支持６が回転振動８を生じ、回転支持６から振動回転軸動力９を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸動力を発生させる事を目的とした軸動力発生装置に関するものである。

流体の流れから動力すなわちエネルギーを取り出す装置としては、原子力発電または火力発電もしくは地熱発電における蒸気タービン、火力発電におけるガスタービン、風力発電または潮力発電におけるウィンドタービン、水力発電におけるウォータータービンがある。

たとえば、流体の流れによって生じる自励振動を物体の歪みに変換し、その物体に取り付けられた歪みエネルギーを電気エネルギーに変化する変換器により電気エネルギーを発生させる発電装置に関する公知技術例として以下の４つ（特許文献１〜４）がある。

特許文献１には、流体流を受けて一方向にギャロッピング振動する振動発生体と、前記振動発生体で生じた運動が伝達されてたわみ振動を行う振動体と、前記振動体のたわみ振動による歪みエネルギーを電気エネルギーに変換するトランスデューサーとを具備して成る事を特徴とする発電装置が記載されている。

特許文献２には、流体力を受けて自励振動する断面形状が略Ｖ字状または所定の曲率の孤状である受風翼と、前記受風翼を支持する支持棒と、前記支持棒をその軸芯回りに回転自在に保持する軸保持部材と、前記軸保持手段が取り付けられる振動板と、前記振動板を保持する振動板保持手段と、前記受風翼が風力を受けていない状態で前記受風翼を所定位置に保持し、前記受風翼が風力を受けて前記受風翼と前記支持棒とが一体的に回転したときに、前記受風翼を前記所定位置に戻すように前記支持棒の動きを制御する受風翼回帰機構と、前記受風翼が風力を受ける事によって前記振動板に発生する撓みまたは振動を利用して発電する発電機構と、を具備する風力発電装置が記載されている。

特許文献３には、長尺状でその幅方向に所定角度で二つ折りされた形状を有し、その長手方向の一端が固定された状態で風力を受けた際に所定のねじれ振動を生ずるように、その幅が長手方向において変化している受風翼と、前記受風翼の振動によって振動して発電する板状発電部と、前記発電部からの電気を取り出す電気回路と、を具備する風力発電装置であって、前記板状発電部が、その板を含む平面と前記受風翼の該二つ折りされた所定角の二等分面とが平行であり、その振動方向が該二等分面に対して略直角となるものと、その板を含む平面と前記受風翼の該二等分面とが垂直であり、その振動方向が該二等分面に対して略平行となるものと、を含むように設置されている風力発電装置が記載されている。

特許文献４には、平坦なテープ状をなし、その長手方向に所定の張力が掛かるように長手方向端が保持される振動体と、前記振動体の長手方向端の少なくとも一方に設けられた、 矩形板状の圧電素子を有する圧電発電ユニットと、を具備し、前記振動体がその主面と平行な方向に吹く風によって弧状に振動し、その振動により前記圧電素子を屈曲させて電気エネルギーを取り出す事を特徴とする風力発電装置が記載されている。

また、回転支持した軸に、物体の振動を連結させて、物体の振動を回転振動に変換し、エネルギーを軸動力として取り出す軸動力発生装置として、以下の２つの公知技術例（特許文献５、非特許文献１）がある。

特許文献５には、流体流に対し定置装着される基部と、前記基部に可動接続され長手方向軸を有する部材であって、前記長手方向軸が前記部材を通過する前記流体流の方向に平行な垂直面に略沿った位置に向け前記基部に対し動くよう構成された、部材と、前記部材に取り付けられ前記流体流の方向に可動である揚力発生要素であって、前記流体がその周囲を流れる際に該揚力発生要素により生ずる揚力の方向を変化させ、これにより前記部材を前記基部に対する揺動運動にて駆動する、揚力発生要素と、前記部材に取り付けられ、前記部材の振動により駆動されるエネルギー伝達機構と、を備える、流体流からエネルギーを捕捉する装置が記載されている。

非特許文献１には、翼型断面形状翼を、流れに直角な方向への並進運動と翼自身の回転運動が可能な様に支持して流れ中に配置し、その並進運動と回転運動の位相差を適切に制御する事によって、流れ中で自励振動を発生させ、その並進振動をリンク機構によって回転振動に変え、軸力を取り出すものが記載されている。

特開２００６−２２６２２１号公報 特開２００６−２９１８４２号公報 特開２００７−５１５６１号公報 特開２００７−１９８１７５号公報 特開２００９−５０４９５７号公報

McKinney,W.& DeLaurier, J., The Wingmill: An Oscillating-Wing Windmill, Journal of Energy, Vol.5, No.2, pp.109-115, 1981.

しかしながら、上述した公知技術にはそれぞれ問題点を含んでいる。

上記特許文献１、２、３および４においては、圧電素子を用いている為、発電量がマイクロワットオーダーであり、極めて小さい。

上記非特許文献１においては、並進運動および回転運動の連成振動を利用しているが、この連成振動は、並進振動と回転振動が特定の位相差を持つ時にのみ発生するため、この位相差を適切に制御するためのリンク機構を必要とする。

上記特許文献５においては、装置の制御によって振動するものであり自励振動を利用したものではなく、流れ以外のエネルギーを必要とし、またそのエネルギー供給のための構造が必要である。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、自励振動を利用した構成とし、圧電素子を利用した場合に比べて大きな動力を取り出す事を可能とした軸動力発生装置を提供する事を目的する。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、支持機構を用いて可動システムを流体の流れ中に設置し、前記可動システムを流体の流れによって自励振動させ、この自励振動を軸の回転に変換し、この軸の回転から動力を取り出す構成とした事を特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記可動システムの自励振動を前記軸の回転に変換するリンク機構を有する事を特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記可動システムは、剛体部と、この剛体部に連結された柔軟部とを有する事を特徴とする。この場合、請求項４に記載の発明のように、前記柔軟部の回転変位をより大きくする様に作用すると共に、前記柔軟部を初期の設定位置に復元させる様に機能する回転バネ付回転支持を介して前記柔軟部が前記剛体部に連結される様に構成することができる。

請求項５に記載の発明は、前記支持機構は、前記可動システムの自励振動を大きくする様に機能する移動支持を有する事を特徴とする。この場合、請求項６に記載の発明のように、前記可動システムの自励振動をベルト機構によってベルトローラー回転振動に変換し、このベルトローラー回転振動から軸を伸ばして振動回転軸動力を得る構成とする事ができる。

本発明の第１実施形態における軸動力発生装置の模式的な構成を示す図である。 本発明の第２実施形態における軸動力発生装置の模式的な構成を示す図である。 本発明の第３実施形態における軸動力発生装置の模式的な構成を示す図である。

以下に説明する、発明を実施するための形態は、軸動力を必要とする装置において、流体の流れによって自励振動を生じる様に工夫された可動システムを、支持機構を用いて流体の流れ中に設置し、流体の流れによって自励振動させ、この振動を、回転支持した軸の回転に変換し、この軸の回転から回転軸動力を取り出す事を特徴とする軸動力発生装置である。

自励振動とは、外力が無くても、流体の流れに存在する微小な変動を切っ掛けとして、自発的に流体の流れの対称性が破れて、微小な振幅の振動を開始し、やがて微小でない有限振幅の振動へと成長し、その有限振幅振動を維持し続ける物理現象の事である。

可動システムとは、流体の流れ中で自励振動を生じる様に、その素材または仕組もしくは構造を工夫された物体または物体群の事であり、剛体部、柔軟部または可動部の１つ以上から成る。

剛体部または柔軟部もしくは可動部の素材として、金属やプラスチックなどの弾性体、ゴムなどの粘弾性体、紙や紐や布などの繊維体、それらを複合した複合材などを用いる事ができる。

剛体部とは、力が作用した際に変形が無視できる程小さいものを意味し、柔軟部とは、力が作用した際に容易に変形するものを意味するので、例えばゴムの様に柔らかい素材でも厚いまたは太いものは剛体部として振る舞い、鉄の様に固い素材でも薄いまたは細いものは柔軟部として振る舞う、すなわち、同一素材でも、その大きさや形状によって、剛体部にも柔軟部にもなり得る。

可動部とは、可動システムに自励振動が生じる様に工夫された仕組または構造であり、例えば、支持機構やリンク機構またはこれらを組み合わせた機構を利用する事が出来る。剛体部または柔軟部の利用形態として、板、棒、球、楕円球、膜などの様に単純な形状、Ｈ型、Ｉ型、翼型、星形の様な少し複雑な形状、管や球殻の様な中空構造、バネの様な螺旋構造、板バネの様な単純構造の組み合わせ構造、繊維の様なマクロまたはミクロもしくはナノの構造、減衰器や風船の様な流体を閉じ込めた構造などを用いる事ができる。

支持機構とは、支持点において部材が自由に平行移動可能な移動支持、支持点において部材が回転可能な回転支持、支持点において平行移動も回転も可能でない固定支持、更にはこれらを組み合わせた支持などであり、可動システムを流体の流れ中に設置する為に使用する。

可動システムの自励振動は、リンク機構を用いて、回転支持した軸の回転に変換することができる。リンク機構とは、クランク機構、遊星ギア、ラックアンドピニオン、ベルト機構などであり、可動システムの自励振動を回転支持された軸の回転に変換する為に使用する。

可動システム、支持機構、リンク機構の素材または仕組もしくは構造を変化させる事によって、本装置の軸動力出力特性を変化させる事が可能である。

可動システムの自励振動は、液体流れ、気体流れ、多相流れ、非ニュートン流体流れなど、様々な流体の流れの中で発生するので、この軸動力発生装置は、流れの種類には限定されず使用する事ができる。

上記の軸動力発生装置では、圧電素子を利用して動力を取り出すのではなく、回転支持した軸の回転を利用して回転軸動力を取り出す事によって、圧電素子を利用する場合に比べて例えば千倍程大きな動力を取り出す事を可能としている。また、本装置では、自励振動する可動システムを利用する事によって、振動を開始、維持する為の仕組または構造もしくは制御や、外部からのエネルギー供給を不要としている。また、本装置では、自励振動する可動システムを利用する事によって、装置各部の運動を適切に制御する為の仕組または構造を不要としている。

つまり、本装置では、圧電素子によってではなく軸の回転振動によって動力を取り出している事から、圧電素子を利用する場合に比べて大きな動力を取り出す事を可能とし、可動システムの自励振動を利用している事から、流れ以外のエネルギーを不要とする事によって、また振動させるための仕組を不要とする事によって、余分な仕組や構造の無い装置を実現している。

上記した軸動力発生装置の具体的な形態について、以下に３つの実施形態を示す。
（第１実施形態）
図１に、可動システム１を流体の流れ２中の壁面３に設置した第１実施形態の模式的な構成を示す。

可動システム１は剛体で構成された剛体部４と柔軟体で構成された柔軟部５とから成る。一方、支持機構は、回転支持６からなり、この可動システム１を流れ２中に保持している。 可動システム１が自励振動７を生じる事によって、剛体部４に接続された回転支持６が回転振動８を生じ、回転支持６から振動回転軸動力９を直接得ている。

従って、この第１実施形態では、自励振動７を回転振動８に変換するリンク機構は不要となっている。また図では振動している事を表現する為に柔軟部５が曲がって描かれているが、柔軟部５は曲がっている必要は無い。

この第１実施形態を、例えば建築物の外壁や屋根に設置して、回転軸を発電機に連結すれば、簡易な風力発電装置を構成する事が出来る。

この例の可動システム１では、剛体部４が柔軟部５の上流に位置しているが、逆位置や横並びでも良く、剛体部と柔軟部の位置に制約は無い。またこの例の可動システム１では剛体部４が１つと柔軟部５が１つであるが、剛体部と柔軟部はいくつあっても良く、これらの個数に制約は無い。この例の可動システム１では、剛体部４と柔軟部５は板形状であるが、円柱や翼型などでも良く、剛体部と柔軟部の形状に制約は無い。この例では、可動システム１の上流端に回転支持６を設けているが、剛体部の途中や柔軟部でも良く、支持機構の位置に制約は無い。この例では、回転支持６は下壁側を片持ちされているが、上側を支えても良く、回転軸の支持位置に制約は無い。この例では、可動システム１は流体の流れ２に平行に設置してあるが、角度を持っていても良く、設置角に制約は無い。この例では、流れ２は外部一様流であるが、剪断流、チャンネル流、ダクト流、噴流などでも良く、流れの形態に制約は無い。
（第２実施形態）
図２に、可動システム１を流体の流れ２中の壁面３に設置した第２実施形態の模式的な構成を示す。

この第２実施形態は、可動システム１を風の強い屋根の上に設置し、回転軸動力９を利用する発電機を地上に設置する場合に、これらの間を連結する為にリンク機構を利用する風力発電システムの構成例である。

可動システム１は剛体部４、柔軟部５および回転バネ付回転支持１０から成る。一方、支持機構は、回転支持６、回転バネ１１から成り、可動システム１を流体の流れ２中で回転軸の上流側に保持している。可動システム１の自励振動７の際、回転バネ付回転支持１０は、その回転機構によって、柔軟部５の回転変位をより大きくする様に作用すると共に、その様にして大きくなった回転変位によって、その変形をも大きくする様に機能する。一方で、回転バネ付回転支持１０は、そのバネ機構によって、柔軟部５を初期の設定位置に復元させる様に機能する。

この例では、クランク機構１２によって、可動システム１の自励振動７を、クランク機構回転軸１３の回転振動１４に変換し、この回転振動１４を外部へ取り出して振動回転軸動力９を得ている。

この例では、剛体部４と柔軟部５の接続に回転支持の一種である回転バネ付き回転支持１０を用いているが、固定支持や移動支持などでも良く、各部の接続方法に制約は無い。この例では、クランク機構１２は可動システム１の剛体部４に接続されているが、回転バネ付回転支持１０や柔軟部５に接続しても良く、接続箇所に制約は無い。この例ではリンク機構として、クランク機構を用いているが、遊星ギア、ラックアンドピニオン、ベルト機構などでも良く、リンク機構に制約は無い。この例では、剛体部４を初期の設定位置に復元させるための復元装置である回転バネ１０を回転支持６に取り付けているが、クランク機構１２に復元装置を取り付けても良く、復元装置の取り付け位置に制約は無い。

なお、この第２実施形態においても、剛体部と柔軟部の位置、個数、形状に制約が無い事、回転支持４の位置に制約が無い事、可動システムの設置角に制約が無い事、流れ２に制約が無い事などは第１実施形態と同様である。
（第３実施形態）
図３に、可動システム１を流れ２中の壁面３に設置した第３実施形態の模式的な構成を示す。

可動システム１は、剛体部４、柔軟部５および回転バネ付回転支持１０から成る。一方、支持機構は、回転バネ付回転支持１０と移動支持１５から成り、可動システム１を流体の流れ２中に保持している。

可動システム１が自励振動７を生じた際、可動システム１の回転バネ付回転支持１０は、その回転機構によって、それぞれの柔軟部５の回転変位と変形を大きくすると共に、そのバネ機構によって、柔軟部５を初期の設定位置に復元させる様に機能する。また支持機構として用いられ、かつ可動システム１と移動支持１５の接続に用いられている回転バネ付回転支持１０は、その回転機構によって、可動システム１の回転変位と変形を大きくすると共に、そのバネ機構によって、可動システム１を初期の設定位置に復元させる様に機能する。また、移動支持１５は、可動システム１の自励振動７を大きくする様に機能する。

この第３実施形態では、可動システム１の自励振動７をベルト機構１６によってベルトローラー回転振動１７に変換し、このベルトローラー回転振動１７から軸を伸ばして振動回転軸動力９を得ている。

この例では、可動システム１の柔軟部５の支持に回転バネ付回転支持１０を用いているが、固定支持や回転支持などでも良く、各部の支持方法に制約は無い。この例では、可動システム１と移動支持１５の接続に回転バネ付回転支持１０を用いているが、固定支持や回転支持などでも良く、接続方法に制約は無い。この例では、ベルト機構１６は可動システム剛体部５に接続されているが、柔軟部５、回転バネ付回転支持１０、移動支持１５に接続しても良く、接続部に制約は無い。

なお、この第３実施形態においても、剛体部と柔軟部に関して位置、個数、形状に制約が無い事、各種支持の位置に制約が無い事、可動システムの設置角に制約が無い事、流れ２に制約が無い事は第１実施形態と同様である。

１ 可動システム
２ 流体の流れ
３ 壁面
４ 剛体部
５ 柔軟部
６ 回転支持
７ 可動システムの自励振動
８ 回転軸の振動
９ 振動回転軸動力
１０ 回転バネ付回転支持
１１ 回転バネ
１２ クランク機構
１３ クランク機構回転軸
１４ クランク機構回転軸の回転振動
１５ 移動支持
１６ ベルト機構
１７ ベルトローラー回転振動

Claims (6)

1. 支持機構を用いて可動システムを流体の流れ中に設置し、前記可動システムを流体の流れによって自励振動させ、この自励振動を軸の回転に変換し、この軸の回転から動力を取り出す構成とした事を特徴とする軸動力発生装置。
2. 前記可動システムの自励振動を前記軸の回転に変換するリンク機構を有する事を特徴とする請求項１に記載の軸動力発生装置。
3. 前記可動システムは、剛体部と、この剛体部に連結された柔軟部とを有する事を特徴とする請求項１又は２に記載の軸動力発生装置。
4. 前記柔軟部は回転バネ付回転支持を介して前記剛体部に連結されており、前記回転バネ付回転支持は、前記柔軟部の回転変位をより大きくする様に作用すると共に、前記柔軟部を初期の設定位置に復元させる様に機能する事を特徴とする請求項３に記載の軸動力発生装置。
5. 前記支持機構は、前記可動システムの自励振動を大きくする様に機能する移動支持を有する事を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の軸動力発生装置。
6. 前記可動システムの自励振動をベルト機構によってベルトローラー回転振動に変換し、このベルトローラー回転振動から軸を伸ばして振動回転軸動力を得る構成となっている事を特徴とする請求項５に記載の軸動力発生装置。